第8章典型功能电路设计与仿真调试

第8章典型功能电路设计与仿真调试第一页，共85页。8.1电压比较器一、单门限比较器二、迟滞比较器三、比较器的特点及应用第二页，共85页。

对两个输入电压进行比较，比较两个电压的大小，将比较结果以高低电平的形式输出。此功能的运放通常工作在饱和区。通常将一个输入电压固定UR作为参考电压，另一个输入电压Ui与UR比较，结果由Uo反映。一、单门限比较器单门限比较器：比较器的功能是指只有一个门限电压的比较器.-+R1UiR2URUoRoDz第三页，共85页。一、单门限比较器（续）-+R1UiR2UR当Ui>UR时，输出应为负饱和值，Uo为低电平-UOL。UoRoDz当Ui≤UR时，输出为正饱和值，Uo为高电平UOM。-UOLURUoUiUOM输出电压被限定在（UZ+UD)原理第四页，共85页。例:电路如图(a)所示，当Ui如图(b)所示时，试画出Uo及Uo'的波形。图（a）

电路图(b)波形图电路第五页，共85页。二、迟滞比较器-+R1UiR2URUoRf引入正反馈起加速输出电压变化UoUiUomUonU2U1原理:当输出Uo为高电平Uo=Uom时，同相端受到Uom和UR同时作用当Ui≥U1时，输出将由高电平Uom跳变到低电平Uon。U1称为上门限电压，也称正向阈值电压。迟滞比较器：具有迟滞回环特性，输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。第六页，共85页。二、迟滞比较器（续）-+R1UiR2URUoRfUoUiUomUonU2U1原理:当输出Uo为低电平Uo=Uon时，同相端受到Uon和UR同时作用当Ui≤U2时，输出将由低电平Uon跳变到高电平Uom

。U2称为下门限电压，也称负向阈值电压。≤U1第七页，共85页。迟滞比较器上门限电压：下门限电压：门限宽度：小结：1.改变基准电压UR可改变上、下门限电压U1、

U2

，但不影响门限宽度U。2.改变正反馈系数R2/(R2+Rf),将影响U和

U1、

U2

。3.Uom、Uon运放的正负饱和电压，可通过加限幅电路限制其值。UoUiUomUonU2U1第八页，共85页。三、比较器的特点及应用1.工作在开环或正反馈状态。2.开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。3.非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。特点：第九页，共85页。应用：比较器主要用来对输入波形进行整形，可以将不规则的输入波形整形为方波输出。正弦波变换为矩形波三、比较器的特点及应用（续）有干扰正弦波变换为方波第十页，共85页。一、RC

正弦波振荡器8.3信号发生器

在没有外加输入信号的情况下，通过自身电路仍然可以使输出产生有一定频率和幅度的信号。能够通过这种方式产生正弦波的电路称为正弦波振荡电路。在前面介绍负反馈放大电路中可知，当负反馈放大电路出现自激振荡时，就可以在无输入信号的情况下输出信号，此时电路进入正反馈状态。为此在正弦波振荡电路中会刻意将电路接成正反馈形式，使之产生自激振荡。所以称为反馈振荡电路.

第十一页，共85页。1、产生自激振荡的条件放大器反馈网络Ui•Au•Bu•Uo•Uf•RL微弱的电扰动中，某一频率成分通过正反馈逐渐放大，则产生正弦振荡。••••••••—振幅平衡条件—相位平衡条件n=0,1,2,••第十二页，共85页。2、起振条件起振条件放大器Au反馈网络BuUoUfUi

1/BuAu=1/BuOuiuoAuuoAuBu

>1Au

Bu

<1Ui1Uo1Uf1Ui2Uo2Uf2Ui3Uo3Uf2Ui4Uo4ufuf

起振稳幅••第十三页，共85页。1.放大电路A2.正反馈网络B3.选频率网络—实现单一频率的振荡4.稳幅环节—使振荡稳定、波形好满足振荡条件

组成:

分类:按选频率网络分类RC正弦波振荡器LC正弦波振荡器晶体振荡器正弦波振荡电路的组成和分类第十四页，共85页。•••一、RC

桥式振荡电路1.RC

串并联选频网络RC

正弦振荡式中:0=1/RC第十五页，共85页。0Fu

.0f90-90•1.RC

串并联选频网络当=0

时Bu=1/3.=0º第十六页，共85页。2.RC

桥氏振荡电路A

=2nF=0º2)

电路：同相放大器1)组成：8CR1RfRCR•••第十七页，共85页。3)振荡频率5)幅值条件Rf

不能太大，否则正弦波将变成方波应使：••••4)相位条件第十八页，共85页。6)稳幅措施热敏电阻稳幅8CR1RfRCR为使电Au

为非线性，起振时，应使Au>3，稳幅后Au=3。正温度系数负温度系数第十九页，共85页。二极管稳幅12.4k>R2>8.1k起振时信号小，二极管电阻大Au

1+(R2+rd)/R1>3R2>2R1-rd起振后二极管电阻逐渐减小，f0=1.94kHz8R1R2V1V28.2k6.2k22k0.01F8.2k0.01Frd—二极管电阻第二十页，共85页。二、RC

移相式振荡电路8CRRfRCRC一节RC环节移相90二节RC

环节移相180三节RC

环节移相270对于的信号，—

满足相位平衡条件优点：结构简单缺点：选频特性差，输出波形差第二十一页，共85页。1.基本组成部分

1)开关电路：输出只有高电平和低电平两种情况，称为两种状态；因而采用电压比较器。

2)反馈网络：自控，在输出为某一状态时孕育翻转成另一状态的条件。应引入反馈。

3)延迟环节：使得两个状态均维持一定的时间，决定振荡频率。利用RC电路实现。二、矩形波发生电路

输出特点：输出无稳态，有两个暂态；若输出为高电平时定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。第二十二页，共85页。2.电路组成正向充电：

uO（+UZ）→R→C→地反向充电：地→C→R→uO（－UZ）RC回路滞回比较器第二十三页，共85页。3.工作原理分析方法：（1）初始态：

设合闸通电时电容上电压为0，uO上升，则产生正反馈过程：

uO↑→up↑→uO↑↑，直至uO＝UZ，uP＝+UT，第一暂态。up第二十四页，共85页。3.工作原理（续）原理：电容正向充电，t↑→uN↑，t→∞，uN→UZ；但当uN＝+UT时，再增大uN，uO从+UZ跃变为-UZ，uP＝-UT，电路进入第二暂态。原理：电容反向充电，t↑→uN↓，t→∞，uN→-UZ；但当uN＝-UT时，再减小uN

，uO从-UZ跃变为+UZ，uP＝+UT，电路返回第一暂态。（2）第一暂态：uO＝UZ，uP＝+UT。up（3）第二暂态：uO＝-UZ，uP＝-UT。upuN第二十五页，共85页。4.波形分析第二十六页，共85页。推导过程（了解）：利用一阶RC电路的三要素法列出方程如下：T1第二十七页，共85页。推导过程（续）：T2第二十八页，共85页。5.占空比可调电路

思考题:为了占空比调节范围大，R3应如何取值？

正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。T1T2第二十九页，共85页。T1占空比可调电路分析过程：第三十页，共85页。1.电路组成

用积分运算电路可将方波变为三角波。两个RC环节实际电路将两个RC环节合二而一为什么采用同相输入的滞回比较器？uO要取代uC，必须改变输入端。集成运放应用电路的分析方法：化整为零（分块），分析功能（每块），统观整体，性能估算。三、三角波发生电路uC第三十一页，共85页。滞回比较器积分运算电路求滞回比较器的电压传输特性：三要素uOH

、uOL

，UT

。2.工作原理up1第三十二页，共85页。三角波发生电路的振荡原理初始态：合闸通电，通常C上电压为0。设uO1↑→uP1↑→uO1↑↑，直至uO1

＝UZ（第一暂态）；第一暂态：积分电路反向积分，t↑→uO↓，一旦uO过-UT，uO1从+UZ跃变为-UZ（第二暂态）

。第二暂态：积分电路正向积分，t↑→uO↑，一旦uO过+UT，uO1从-UZ跃变为+UZ，返回第一暂态。重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。

电路状态翻转时，uP1=?up1第三十三页，共85页。3.波形分析思考题：如何调整三角波的幅值和频率？振荡中间过程第三十四页，共85页。四、锯齿波发生电路第三十五页，共85页。1.RW的滑动端在最上端和最下端时的波形？2.R3短路时的波形？思考题：第三十六页，共85页。8.4直流电源一、直流稳压电路组成及各部分作用二、整流滤波电路三、稳压管电路四、串联反馈式稳压电路五、集成稳压器（三端稳压器）第三十七页，共85页。问题：1.如何将50HZ、220V的交流电压变为5V的直流电压？2.220V的交流电压整流后是否可以输出220V的直流电压？3.为什么有的直流电源在电网电压变化和负载变化时输出电压基本不变，而有的随之变化？4.为什么市场上销售的6V的直流电源接到收音机上，为什么有的声音清晰，有的含有交流声？第三十八页，共85页。一、直流稳压电路组成及各部分的作用改变电压值通常为降压交流变脉动的直流减小脉动1)负载变化输出电压基本不变；2)电网电压变化输出电压基本不变。直流电源是能量转换电路，将220V（或380V）50Hz的交流电转换为直流电。半波整流全波整流在分析电源电路时要特别考虑的两个问题：(1)允许电网电压波动±10％，(2)负载有一定的变化范围。第三十九页，共85页。二、整流滤波电路1、单相半波电路1.工作原理u2的正半周，D导通，A→D→RL→B。u2的负半周，D截止。第四十页，共85页。2.输出平均电压UO（AV）和平均电流

IL（AV）的估算

已知变压器副边电压有效值为U23.二极管的选择第四十一页，共85页。3.二极管的选择二极管承受的最大反向电压二极管正向平均电流第四十二页，共85页。2、单相桥式全波整流电路u2的正半周

A→D1→RL→D3→Bu2的负半周

B→D2→RL→D4→A四只管子如何接？集成的桥式整流电路称为整流堆。第四十三页，共85页。第四十四页，共85页。二极管的选择第四十五页，共85页。3、滤波电路1.工作原理C越大，RL越大，τ放电将越大，曲线越平滑，脉动越小。电容滤波电路充电放电速度与正弦波下降速度相似按指数规律下降整流电路有内阻第四十六页，共85页。2.二极管的导通角3.电容的选择及UO（AV）的估算4.优缺点简单易行，UO（AV）高，C足够大时交流分量较小；不适于大电流负载。导通角小到一定程度，难于选择二极管！T/2第四十七页，共85页。三、稳压管稳压电路1、稳压电路的主要指标1.输出电压2.输出电流3.稳压系数：表明电网电压波动时电路的稳压性能。在负载电流不变时，输出电压相对变化量与输入电压变化量之比。4.输出电阻：表明负载电流变化时电路的稳压性能。在电网电压不变时，负载变化引起的输出电压的变化量与输出电流的变化量之比。5.纹波电压：测试的输出电压的交流分量。第四十八页，共85页。2、稳压管的伏安特性和主要参数稳定电压UZ：稳压管的击穿电压。稳定电流IZ：使稳压管工作在稳压状态的最小电流。最大耗散功率PZM：允许的最大功率，PZM=IZMUZ。动态电阻rz：工作在稳压状态时，rz＝△U/△I。第四十九页，共85页。3、稳压管稳压电路稳压原理：第五十页，共85页。4、主要指标1.输出电压UO＝UZ2.输出电流ILmax－ILmin≤IZM－IZ3.稳压系数4.输出电阻5、特点

简单易行，稳压性能好。适用于输出电压固定，输出电流变化范围较小的场合。第五十一页，共85页。6、稳压管稳压电路的设计1.UI的选择：为了具有较好的稳压性能，R应取大些；但是若R大，则UI也要大，Sr将变大，稳压性能反而变差。

通常，UI＝（2～3）UZ2.稳压管的选择:

UZ＝UO,IZM－IZ>ILmax－ILmin3.限流电阻R的选择：保证稳压管既稳压又不损坏。电网电压最低且负载电流最大时，稳压管的电流最小。电网电压最高且负载电流最小时，稳压管的电流最大。第五十二页，共85页。1.UI的选择为了具有较好的稳压性能，R应取大些；但是若R大，则UI也要大，Sr将变大，稳压性能反而变差。

通常，UI＝（2～3）UZ2.稳压管的选择UZ＝UO

IZM－IZ>ILmax－ILmin3.限流电阻的选择保证稳压管既稳压又不损坏。电网电压最低且负载电流最大时，稳压管的电流最小。电网电压最高且负载电流最小时，稳压管的电流最大。第五十三页，共85页。例题：已知输出电压为6V，负载电流为0～30mA。试选择稳压管、限流电阻、滤波电容、整流二极管、变压器副边电压有效值。依次选择稳压管、UI、R、C、U2、二极管1.输出电压、负载电流→稳压管2.输出电压→UI（UI＝（2～3）UZ）3.输出电压、负载电流、稳压管电流、UI

→R4.UI、R→滤波电路的等效负载电阻→C，RL’=R+rDZ//RL5.UI→U26.U2、R中电流→整流二极管举例：Uo=5V时，u2=(12～18)V第五十四页，共85页。四、集成稳压器（三端稳压器）输出电压：5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V输出电流：1.5A（W7800）、0.5A（W78M00）、0.1A（W78L00）2.基本应用抵销长线电感效应，消除自激振荡消除高频噪声使CO不通过稳压器放电（一）W7800系列

1.简介说明：输入UI取值范围需查阅芯片的相关参数。如7805，8V≤UI≤18V第五十五页，共85页。输出电压：-5V、-6V、-9V、-12V、-15V、-18V、-24V输出电流：1.5A（W7900）、0.5A（W79M00）、0.1A（W79L00）2.基本应用（二）W7900系列

1.简介第五十六页，共85页。封装CW7805123UIUOGNDCW7905123UIUOGND符号CW7800++213CW790013_2_塑料封装金属封装第五十七页，共85页。一般应用第五十八页，共85页。多路输出电压应用（参考）第五十九页，共85页。（三）基准电压源三端稳压器W117基准电压源电路典型应用电路基准电压源电路

输出电压：Uo=1.25V2.典型引用电路输出电压:输出电压:条件：第六十页，共85页。3.CW117内部结构和基本应用电路内部结构调整电路基准电路误差放大启动电路偏置电路保护电路IREFUIUOADJ123外形引脚CW117123UIUOADJCW137123UIUOADJ50A第六十一页，共85页。三端可调输出集成稳压器一、典型产品型号命名CW117/217/317系列(正电源)CW137/237/337系列(负电源)工作温度CW117(137)—

-55150CCW217(237)—

-25150CCW317(337)—

0

125C第六十二页，共85页。基准电压1.25V输出电流L型—输出电流100mAM型—输出电流500mA第六十三页，共85页。6.7集成运放的其他应用电路一、电压—电流变换电路二、RC有源滤波器三、测量放大电路四、单电源供电放大电路五、线性稳压电路第六十四页，共85页。一、电压—电流变换电路电流—电压变换电路IsUo=-IsRfUoRfRP-+RLUsUo-+R1IL电压—电流变换电路IL=Us/R1第六十五页，共85页。1.一阶低通有源滤波根据反相比例运算电路的分析频率特性截止频率滤波增益|A|=R2/R1二、RC有源滤波器第六十六页，共85页。特性曲线：第六十七页，共85页。2.一阶高通有源滤波据反相比例运算电路的分析:频率特性截止频率：滤波增益：|A|=R2/R1二、RC有源滤波器（续）第六十八页，共85页。特性曲线:第六十九页，共85页。1.

一阶低通有源滤波和积分器(有直流负反馈）电路形式相同，工作原理有区别吗？思考题目截止频率滤波增益|A|=R2/R1作为低通源滤波器时：作为积分器时：滤波器强调频域特性。积分器强调时域特性。第七十页，共85页。分析：当信号频率较低时，信号积分过程可以忽略，输出失真可忽略。ui(t)tuo(t)t第七十一页，共85页。分析：高频时，输出严重失真，输出是输出的积分。ui(t)tuo(t)t第七十二页，共85页。2.一阶高通有源滤波和微分器实用电路形式相同，工作原理有区别吗？思考题目截止频率：滤波增益：|A|=R2/R1做为高通源滤波器时：做为微分器时：第七十三页，共85页。分析：高频时，输出失真可以忽略。第七十四页，共85页。分析：低频时，输出严重失真，输出是输入信号的微分。第七十五页，共85页。三、测量放大电路电桥放大器RfRRR

RX=R+RURUo-+RfUo-+RRURRURR+R主要用于非电量测量如压力，温度，应变等。RX的阻值随被测量物体的变化而变，RX=R+R。当RX=R时电桥平衡，Ui=0,Uo=0。当RX产生R变化时，输出电压将变化Uo，Uo正比于R。当电阻Rf>>R,且相对变化=R/R<<1时，输出电压为：第七十六页，共85页。RfRRR

RX=R+RURUo-+RfUo-+RRURRURR+R电桥放大器输出推导：利用叠加原理，第七十七页，共85页。四、单电源供电放大电路

集成运放通常采用双电源供电，其中负电源主要提供差分放大级的发射极电源（静态工作点）。当使用单电源供电时，为保证电路有合适的静态点，运放的输入级由外电路提供偏置电压。R1UiUoRf-+EcRf-+Ec/2Ec/2Ec/21.直流偏置：两个偏置电阻分压，在同相端得到Ec/2的直流偏压，Uo=Ec/2。2.当Ui输入交流时，注：Uo中包含有Ec/2的直流电压，外接负载时，可加隔直电容。RR第七十八页，共85页。五、线性稳压电路正电压可调电源Uo-+WR2EcR3DZR1调节W，可调节R2部分的阻值比，改变输出电压。第七十九页，共85页。串联型稳压电源Uo-+T1R2RLDZR1UiU2Ui变化负载RL变化Uo保持不变UceU+=UZ稳压过程：RL变化→Uo↑经R1R2的取样电压U2↑U+-U-↓→U